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基于KBBF-PCD(棱镜耦合器件)二次谐波产生(SHG)技术的深紫外全固态激光源(DUV-DPL)是近年来新发展的一种深紫外相干光源,具有系统简单、结构紧凑、稳定性好、寿命长等优点,同时其光束质量好、线宽易压窄、宽调谐、可在ns、ps、fs不同脉冲条件下运转、重复频率1-GHz大范围可控,是目前唯一能同时满足实用化与精密化要求的深紫外激光源,非常适合配套发展先进的深紫外装备,在材料科学、物理学、化学、生物、医学、环保等领域具有重大的应用价值。目前,DUV-DPL尚处在待开拓状态,本论文围绕KBBF-SHG产生深紫外激光,开展了理论和实验研究,参加了DUV-DPL实用化样机研制,用于重大装备的配套。主要取得了以下创新性成果:
1.建立了非线性光学晶体KBBF-SHG数值理论模型,模型采用高斯光束近似,考虑了基频光损耗、光束双折射走离、线性吸收、群速失配、群速色散、自相位调制、交叉相位调制等因素,能够分析超短脉冲、长脉冲及连续激光的二次谐波产生,可计算出倍频效率、输出功率、脉冲波形、光束强度空间分布和光束质量因子等重要参数。
2.研制成功高功率ns深紫外177.3 nm激光器。首先自主研制了高平均功率、高光束质量全固态ns紫外355 nm泵浦源。应用此泵源,获得了平均功率34.7mW、重复频率10 kHz、脉宽～35 ns的177.3 nm激光输出。进一步研究了深紫外177.3 nm激光的功率稳定性,通过先进热管理技术获得了4 mW177.3 nm激光长时间稳定输出,功率起伏小于2.1％,此结果将之前报道的0.2 mW稳定输出结果提高了近20倍。在此基础上,参与研制了国际首台ns级、10 kHz、177.3 nm DUV-DPL实用化样机。基于此样机,与合作者研制了国际首台180 nm以下激光激发的深紫外激光拉曼光谱仪,用于物质分子结构等研究。
3.研制成功高功率ps深紫外177.3 nm激光器。采用高平均功率、80 MHz、～15 ps全固态紫外355 nm泵浦源,通过优化倍频参数,获得了平均功率41 mW、ps级177.3 nm激光输出,此结果为目前国际最高。在此基础上,参与研制了ps级、120 MHz、177.3 nm DUV-DPL实用化样机。基于此样机,与合作者研制了国际首台空间分辨率<10 nm的深紫外激光光发射电子显微镜,用于物质表面等分析。
4.研制成功大脉冲能量、ps深紫外177.3 nm激光器。采用大脉冲能量、～20ps紫外355 nm泵浦源,实现了最大脉冲能量68μJ的177.3 nm激光输出。在此基础上,参与研制了国际首台ps级、10 Hz、大脉冲能量、177.3 nm DUV-DPL实用化样机。基于此样机,与合作者研制了国际首台时间分辨达皮秒量级的深紫外激光光化学反应仪与在线检测系统,用于激发及探测化合物的深紫外光化学反应过程。